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Erdbeobachtungssatelliten

Erdbeobachtungssatelliten sorgen dafür, Veränderungen unseres Heimatplaneten zu dokumentieren und elementare Informationen über Wetter und Klima, Biodiversität und Ökosysteme, nachhaltige Land- und Forstwirtschaft, Bodenschätze und Ressourcenverbrauch sowie über die Qualität von Wasser oder Luft zu geben. Auch bei Krisen und Naturkatastrophen können die Satellitendaten unterstützen. Eine wichtige Rolle spielen hier die deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X.

Im April 2014 startete zudem der erste Satellit einer neuen Sentinel-Reihe - der Beginn des Copernicus-Programms der Europäischen Union. Am 12. Juni 2015 folgte der zweite Sentinel-Satellit.

Copernicus verknüpft das Potenzial der satellitengestützten Erdbeobachtung mit terrestrischen, flugzeuggestützten, maritimen und weiteren Datenquellen. Neben den wissenschaftlichen und institutionellen Interessen nimmt der kommerzielle "Markt" der Erdbeobachtung Fahrt auf.

Helmut Staudenrausch und Gunter Schreier sind Organisatoren der 36. Internationalen Erdbeobachtungskonferenz ISRSE, welche vom11. bis 15. Mai 2015 in Berlin stattfand. Helmut Staudenrausch und Gunter Schreier geben im folgenden Interview einen Überblick über die Aufgaben und Massnahmen im Bereich der Erdbeobachtung.

Am 25. April 2015 ist Nepal von einem verheerenden Erdbeben erschüttert worden. Welche Rolle spielt die Erdbeobachtung bei der Krisen- und Katastrophenhilfe? Was macht das DLR?

Gunter Schreier: Im Erdbeobachtungszentrum des DLR in Oberpfaffenhofen ist dafür das Zentrum für satellitenbasierte Kriseninformation - kurz ZKI - im Einsatz. Aktuelle Satellitenbilder von Erdbeobachtungsmissionen internationaler Partner, aber vor allem auch die Daten der deutschen Missionen TerraSAR-X und Rapideye werden eingesetzt, um zu sehen, welche Zerstörungen das Erdbeben angerichtet hat und welche Zugangswege und Strassen für die eintreffenden Hilfsorganisationen noch befahrbar sind. Durch eine Messkampagne der Berliner DLR-Kollegen im Himalaya-Gebiet haben wir auch hochaufgelöste Luftbilder von Kathmandu. Diese setzen wir jetzt mit den aktuellen Satellitendaten ein, um einen Vergleich mit der Situation vor dem Erdbeben zu haben. DasZKI ist dabei sowohl national im Auftrag des Bundesinnenministeriums als auch im europäischen Rahmen im Kriseninformationsdienst von Copernicus eingebunden.

Helmut Staudenrausch: Diese Daten stellt das DLR auch der International Charter on Space and Major Disasters zur Verfügung. Das ist ein weltweiter Verbund von 15 Raumfahrtagenturen, die im Fall von grossen Katastrophen ihre Satellitendaten schnell und unbürokratisch anbieten, um aktuelle Lageinformationen für die Behörden und Hilfskräfte vor Ort zur generieren. Die Charter wurde so auch am25. April 2015 kurz nach dem Erdbeben in Nepal von Indien, China und Hilfsorganisationen der Vereinten Nationen um Unterstützung gebeten. Die abzudeckenden Gebiete gehen über Nepal hinaus, auch Nord-Indien und Tibet sind von dem Erdbeben betroffen. Neben direkten Erdbebenschäden an Gebäuden und Infrastrukturen stehen auch Erdrutsche im Fokus der Analysen, die möglicherweise Siedlungen in den Bergen von der Aussenwelt abgeschnitten oder direkt getroffen haben könnten.

Was tun Radarsatelliten wie TerraSAR-X und TanDEM-X für das globale Umweltmonitoring? Gibt es vergleichbare Missionen anderer Raumfahrtnationen?

Schreier: Deutschland hat schon seit mehreren Jahren auf die Technologieentwicklung von Radarsatelliten gesetzt, und hier insbesondere auf die "kleinen Radarwellenlängen" mit etwa 3,5 Zentimetern, das so genannte X-Band. Dieses erlaubt ganz bestimme Parameter der Oberfläche der Erde und der Meere zu messen und dies auch - wenn nötig - in einer Auflösung von einem Meter und besser. Mit TerraSAR-X können wir also in ökologische und landschaftsplanerische Bereiche hineinzoomen. Auf diese Radartechnologie setzen auch andere Raumfahrtnationen. Italien betreibt ebenfalls X-Band-Radarsatelliten, während andere Länder - zum Beispiel Kanada, Japan oder Indien - stärker die grossflächige Beobachtung mit längeren Radarwellen aus dem C- und dem L-Band verfolgen und entsprechende Satelliten steuern. In Europa ist der erste Satellit aus dem Copernicus-Programm, Sentinel-1, ebenfalls einRadarsatellit, der global Landoberflächen, Ozeane und Polargebiete beobachtet. Das ist eine Fortführung der erfolgreichen Radarsatelliten ERS und ENVISAT der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Einen technischen Meilenstein hat Deutschland jedoch mit der TanDEM-X-Mission gesetzt, einem Zwillingssatelliten zu TerraSAR-X. Diese doppeläugige Mission erlaubt uns, die gesamte Erde in bislang einzigartiger Qualität und Auflösung dreidimensional zu vermessen. In dieser Technologie sind wir weltweit führend.

Am 12. Juni 2015 soll der zweite Satellit der Sentinel-Reihe aus dem Copernicus-Programmstarten. Welche Alleinstellungsmerkmale hat Copernicus und was sind die Ziele?

Staudenrausch: Mit insgesamt sechs Satellitenserien sowie einer bis 2025 stehenden Planung ist Copernicus das weltweit ambitionierteste Erdbeobachtungsprogramm und eine auf Jahrzehnte ausgelegte Weltrauminfrastruktur. Europa - also die ESA und die EU - investiert hier seit 2006 rund 8,1 Milliarden Euro, davon kommen etwa 1,9 Milliarden Euro - das entspricht knapp 25 Prozent - aus Deutschland. Die deutsche Industrie ist unter anderem als Hauptauftragnehmer bei Sentinel-2, -4, -5 und -6 sowie beim Radarinstrument von Sentinel-1 massgeblich beteiligt. Es geht hier nicht primär um Forschung, sondern um einen konkreten Alltagsnutzen, nach dem Vorbild der täglichen Wettervorhersage. Copernicus unterstützt etwa das Umwelt- und Verkehrsmanagement, Katastrophenvorsorge und -hilfe sowie Energiefragen. Trotz dieses Schwerpunkts werden aber auch Wissenschaft und Wirtschaft die Daten nutzen und profitieren. Denn alle Daten werden kostenfrei abgegeben. Europa trägt mit Copernicus auch zu vielen internationalen Initiativen bei, zum Beispiel zur Global Forest Observation Initiative.

Vor welchen technologischen Trends und kommerziellen Herausforderungen steht die satellitenbasierte Erdbeobachtung?

Schreier: Beim Kongress werden Wissenschaftler, Ingenieure und Start-up Firmen ihre neuesten Ideen und Systeme vorstellen. Interessant wird dabei sicher der Weg zu kleineren Erdbeobachtungssatelliten sein, die in Konstellationen fliegen, um eine höhere Abdeckungsrate der Erde zu gewährleisten. Dies auch verbunden mit einer noch höheren Auflösung und anderen Abbildungsmöglichkeiten, zum Beispielhochauflösende Videoaufnahmen der Erde aus dem Orbit. Diese enormen Datenmengen müssen alle verarbeitet, analysiert und verteilt werden. Deshalb wird "Big Data" auf der Konferenz ebenfalls ein Thema sein. Die Sentinel-Daten werden den Bedarf an neuen IT-Lösungen für die Datenverarbeitung noch verstärken. Seitens der kommerziellen Anbieter wird man sicher auch neue Geschäftsmodelle vorstellen. Vor allem aber: Wie kann ich sicher, automatisch und nachhaltig aus den vielen digitalen Daten der Erdbeobachtungssatelliten wertvolle Informationen über unsere Umwelt und die zivile Sicherheit gewinnen? Das ist auch ein Kernthema von Copernicus.

Staudenrausch: Weitere Themen sind Lidarsysteme und die Erdbeobachtung mit Hyperspektraltechnologie. Als Lidar (Light detection and ranging) (siehe auch: Methan-Lidar) bezeichnet man ein System, das Laserlicht aussendetund das Rückstreuungssignal auswertet. Mit hyperspektral ist eine sehr hohe spektrale Auflösung des vom beobachteten Objekt rückgestreuten Sonnenlichts gemeint, in der sehr viel mehr Information über ein Objekt steckt als im Signal eines herkömmlichen optischen Messinstruments. Das DLR stellt zu beiden Themen aktuelle Projekte vor: zum einen die Mission des deutschen Hyperspektralsatelliten EnMAP, der ab 2018 neue Möglichkeiten zur Erfassung von Wasserinhaltsstoffen, des Pflanzenzustands oder verschiedener Minerale an der Erdoberfläche bringen wird. Zum zweiten die deutsch-französische Klimamission Merlin, ein Lidarsatellit, der mithilfe eines Lasers ab 2019 den Methangehalt, das neben Kohlendioxid wichtigste Treibhausgas in der Atmosphäre, messen wird.

Quelle: Text Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), April 2015

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Das Umweltprogramm «Copernicus»

Copernicus ist das bislang komplexeste und weitreichendste operationelle Programm zur "ganzheitlichen" Erkundung und Überwachung unseres Heimatplaneten.

Ziel ist es, den aktuellen Zustand unseres blauen Planeten kontinuierlich zu erfassen und die Daten über Ozeane, Landoberflächen, die Atmosphäre und den Klimawandel den verschiedenen Nutzergruppen, wie Behörden, Unternehmen, Institutionen, Umweltämtern und Bürgern zeitnah zur Verfügung zu stellen.

Die 6 Kerndienste von Copernicus:

1. Landüberwachung
2. Überwachung der Meeresumwelt
3. Überwachung der Atmosphäre
4. Überwachung des Klimawandels
5. Katastrophen- und Krisenmanagement
6. Sicherheitsdienste

Das Copernicus-Programm sieht den Auf- und Ausbau einer Weltraum- und einer "In-situ"-Komponente zur Etablierung eines komplexen Netzwerkes vor. Unter dem Begriff "in situ", also "an Ort und Stelle", werden alle Beobachtungssysteme zusammengefasst, die nicht im Weltraum betrieben werden. Dazu gehören beispielsweise boden- oder seegestützte Sensoren, meteorologische Messeinrichtungen und Messbojen.

Im Weltraum werden künftig sechs verschiedene, von der ESA betriebene Sentinel-Satelliten zu globalen Erdbeobachtungsdaten liefern. Das Copernicus-Programm wird von zahlreichen nationalen Fernerkundungssatelliten mit Daten unterstützt. Im Jahr 2015 konnte Copernicus die Daten von insgesamt 30 Fernerkundungssatelliten nutzen.

Von 2016 an, wird EUMETSAT die Meeresüberwachungsmission Copernicus Sentinel-3 in Zusammenarbeit mit der ESA und im Auftrag der EU nutzen und Datendienste an den Copernicus-Meeresüberwachungsdienst liefern.

Quelle: Text ESA 2015 und 2016
Das Umweltprogramm «Copernicus»

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